Спиновый компьютер стал на шаг ближе

Физики из Университета Калифорнии сделали важный шаг вперед по созданию спинового компьютера, добившись "туннельной инжекции спинов" в графене.

Электрон может быть поляризованным, т.е. иметь различную ориентацию, которая называется спином. Существуют два положения: спин "вверх" и спин "вниз". Это теоретически позволяет создавать транзисторы, работающие во много раз быстрее обычных, или более емкие устройства хранения данных.

Термин "туннельная инжекция спинов" используется для описания проводимости через диэлектрик. Графен обладает наилучшими характеристиками транспортировки спинов при комнатной температуре. Однако для создания спиновых компьютеров требуется решить ряд проблем. Прежде всего инжекция спинов из ферромагнитного электрода в графен неэффективна. Также время жизни спина оказалось в тысячи раз меньше, чем предсказывалось теоретически.

Тончайшие изоляционные барьеры значительно улучшают инжекцию спинов в графене. Верхнее изображение показывает поток электронов (пунктирная линия) при отсутствии диэлектрика. Нижний рисунок демонстрирует, что поток спиновой поляризации электронов значительно возрастает, когда используется диэлектрик из оксида магния.

Для решения этих проблем ученые создали изолирующий слой нанометровой толщины, известный как "туннельный барьер" между ферромагнитным электродом и графеном. Обнаружилось, что эффективность спиновой инжекции при этом увеличилась в 30 раз.

Опыт ученых - это первая демонстрация туннельной инжекции спинов в графене и мировой рекорд эффективности инжекции спина в графене.

Также исследователи сделали неожиданное открытие, которое объясняет короткий срок жизни спина электронов в графене. Обычно в экспериментах со спинами для измерения используется специальный ферромагнитный "датчик", который помещают на графене. Американские ученые отделили этот "датчик" от графена изолирующим барьером и обнаружили, что время жизни спина выросло со 100 пикосекунд до 500 пикосекунд. Видимо, в предыдущих экспериментах жизнь спину укорачивала несовершенная методика измерения.

Создать изоляционный барьер между графеном и электродом было очень непросто: на поверхности диэлектрика постоянно образуются сгустки, отчасти из-за нежелания графена образовывать прочные связи с материалами. Чтобы обойти проблему сгустков, в своих экспериментах группа ученых с помощью эпитаксии молекулярным пучком нанесла на графен тончайший слой титана, который предотвращает появление сгустков изолятора из оксида магния на графене.

В настоящее время ученые ведут работу по созданию рабочего логического устройства на основе спина электрона.